Fake it till you make it。
2020 特斯拉电池日，马斯克提出了 TWh 级别的电池生产目标
很多时候做成事情的第一步便是「把牛吹出去」，2020 年特斯拉在电池日上亮相了划时期的 4680 电池，而那时间隔 4680 电池观点的提出仅仅才过去了 1 年，2019 年由松下和欧洲的一个化学实验室基于全极耳的理论对圆柱电池进行优化和改进，末了以为 4680 电池是个不错的方案。
如果以松下的风格，至少得等到 2022 年才开始对外宣扬，到 2025 年后才可能开始大规模量产，毕竟实验室里做出来跟大规模量产完备不是一回事，但特斯拉便是敢「吹出去」，而且这次彷佛又吹成了。
庆祝特斯拉加州工厂试点生产了 100 万个 4680 电池，大概能装 1,000 台 Model Y
在刚结束不久的电动汽车百人会 2022 上，松下、比克电池、亿纬锂能几大电池巨子都表示了对 46 系大圆柱电池的看好，同时在 1 月份特斯拉宣告在加州的工厂内已经试点生产了 100 万个 4680 电池，间隔 4680 电池的正式装车已经近在咫尺了。
下面就重点聊聊特斯拉 4680 电池的核心技能创新以及未来对市场的影响。
认识 4680 电池
在先容特斯拉 4680 电池的核心技能之前，先通过几个问答大略理解一下 4680 电池。
什么是 4680 电池？
7 号电池、5 号电池、18650、2170 和 4680 电池个头比拟，4680 明显要大不少
4680 电池即直径 46 mm、高 80 mm 的圆柱电池，目前特斯拉利用的 18650 和 2170 电池也符合这必定名规则，个中 18650 电池末了一个「0」的含义是圆柱，只不过 2170、4680 电池省略了。
为什么是 4680 电池，而不是更大或更小的？
特斯拉 PPT 显示，圆柱电池直径 46 mm 是续航提升和降本的最优解
首先来看直径「46 mm」这个指标，从安全性来看，虽然整车电池节数减少可以降落 BMS 的管理难度，但是大电芯的散热是个难题，46 mm 是个平衡范围内的点。从提升续航和降本的角度来看，特斯拉认为 46 mm 往后整车的续航开始低落，同时降本的边际效益变得非常低，因此 46 mm 是最优解。其余从内部应力和角度来看，46 mm 也是一个比较临界的点，在化学性能、生产工艺没有实质上的打破前，46 mm 是一个黄金尺寸。
另一个参数高度「80 mm」，实在目前业界还没有定论，紧张因各家底盘设计而异，比如宝马采取的是 4695 方案，还有的厂商方案了 46105 的方案，即高度为 105 mm。但这个高度也不能太高，一方面是径向散热会成问题，另一方面这样会明显增加底盘厚度，从而影响设计美感和风阻。
为什么特斯拉钟情于圆柱电池？
大略来说便是路径依赖，特斯拉 2004 年景立，2008 年推出首款车型 Roadster，当时市情上还没有非常成熟的动力电池方案可选，而松下的 18650 电池在民用领域已经非常成熟稳定，安全性和同等性都达到了非常高的水准，特斯拉于是选择了用几千个单体电池组装的方案，虽然对 BMS 的磨练比较大，但在当时确实也比其他动力电池方案更为靠谱。
特斯拉 Model S 电池包，由数千个 18650 电池组成
随着动力电池的发展，18650 电池逐步升级为 2170 电池，特斯拉以及它的供应商松下、LG 化学等就越来越专精于圆柱电池，不过这次 4680 电池对圆柱电池来说也是一次挤爆牙膏的升级。
牙膏挤爆，特斯拉 4680 电池的核心技能创新点
特斯拉电池日 PPT，4680 电池要比 2170 电池提高 54% 的续航并降落 56% 的本钱
从 18650 到 21700 的升级从数字就可以看出来颇有点挤牙膏的味道，有点像最近两年的高通骁龙芯片，而 4680 电池比较 2170 电池，不仅是体积增加了 448%，更多的是与全极耳、高硅负极、与 CTC 结合等革命性的技能相结合，终极才有了续航增加 54%，本钱低落 56%，单位产能设备投资额低落 69% 的挤爆牙膏式的提升（当然特斯拉的 PPT 向来有些水分，这该当 4680 电池迭代两三次后达成的效果）。
全极耳：开得远，还要充得快
传统的电池有一个非常大的限定：能量密度和功率密度不能兼顾，举个例子，本田雅阁混动的三元电池能量密度只有 82 Wh/kg，而纯电车型的三元锂电池能量密度一样平常在 150—180 Wh/kg，这是由于 HEV 锂电池核心参数是功率密度，毕竟电池小（雅阁混动的电池容量仅为 1.3 kWh）又要带动大功率的电机，只能捐躯一些质量能量密度。
全极耳方案下，电子流利的路径明显缩短
而特斯拉 4680 电池通过采取全极耳（特斯拉宣扬是无极耳）的方案来让二者兼顾，极耳大略来说便是正负极充放电时的打仗点，传统电池在正负极各有一个极耳，这样就带来一个问题，电流从正极流向负极时，如上图左边所示，要穿越很长的横向路径，这样内阻自然上来了，不仅损耗电池的能量，而且发热问题难以办理。
而根据特斯拉专利可以看到 4680 电池的构造中正负极上分布着均匀的极耳，这样大大缩短了极耳间距，比如 2170 电池电子在集流体里流过全体卷绕极片的展向长度，路径约 900 mm，而 4680 的正负极薄膜是 2170 电池的 4—5 倍，如果依然采取单极耳，那么电子的路径会长达 3.8 米，内阻也会相应增加 4 倍，而全极耳的方案能让这一起径缩短为电池的高度，即 80 mm，根据特斯拉的先容，4680 电池内阻发热只有 2170 电池的五分之一。再加上全极耳大大增加了电流利路，这样电子更随意马虎在电池内部移动。
V3 超充下，4680 电池的预估充电速率要快于 2170 电池，在 V4 超充下估量差距将更明显
因此全极耳的 4680 电池就具备了大功率放电和超充的天赋，根据 Insideevs 的研究报告，400 V 的 4680 电池系统充 70% 电量须要 15 分钟，而采取 800 V 电池系统的保时捷 Taycan 和当代汽车的 IONIQ 分别须要 18 分钟和 22 分钟。未来如果 4680 电池采取 800 V 电压系统，充电速率还会更快。
高镍正极 + 高硅负极：单体能量密度达到 300 Wh/kg 的关键
目前特斯拉的 4680 电池正极采取的仍是 NCM 811 高镍方案，这个大家已经比较熟习了，未来 4680 正极还会向更高比例的镍（如 NCM 9/0.5/0.5) 以及「无钴」和「四元」方面蜕变。
正极方面的变革不大，要实现更高的能量密度，负极也十分关键。目前绝大多数电池都是石墨负极，但石墨的理论比容量为 372 mAh/g，实际上已经达到了约 330—370 mAh/g，已经触及天花板。而硅的比容量能达到 4,200 mAh/g，是石墨的 10 倍以上，因此在负极掺入一定比例的硅一贯是电池能量密度打破的方向。
2020 NIO DAY 上，蔚来 150 度电池的 PPT 上显示了硅碳负极以及高镍正极，实现高能量密度大家殊途同归
实际上早在 2017 年搭载 2170 电池（来自松下）的 Model 3 上，特斯拉就已经引入了「掺硅」的技能，只是比例还比较小（大约掺了 5—6% 的硅合金），对能量密度的提升还不太明显。海内也有一些厂商已经采取「掺硅」的负极，比如 CLTC 续航能达到 1,000 km 的广汽埃安 LX 144.4 度的大电池的负极就掺了一定比例的硅，其余智己汽车还有蔚来即将在第四季度量产的 150 kWh 的「固态」电池也用了这一技能。
虽然说「掺硅」能吹糠见米地提升能量密度，但硅先天不如石墨稳定随意马虎膨胀，一样平常碳基负极在嵌锂反应中体积的膨胀不超过 10%，而硅基则能膨胀 360%，从而引发 SEI 膜破损等副反应，导致电池容量衰减。
相对来说，圆柱内部的应力在各个方向上都很均匀
相对来说 4680 电池的构造更适宜「掺硅」，首先圆柱电池极片卷绕的特点可以只管即便使极片各个位置膨胀力均匀， 减少破损和褶皱的涌现，方型和软包电池在 R 角处易涌现应力集中而导致的破损和褶皱，其余 4680 电池的不锈钢壳体机器强度大，可充分接管负极的膨胀力。因此理论上 4680 电池负极中能掺入更多的硅，估量能达到 10% 以上，能量密度从而有显著提升。
CTC 技能：天生好差错
从第一性事理出发，要提高电池包的能量密度，「中间件」肯定越少越好，打个比方想让一个盒子里装最多的鸡蛋，最好是把鸡蛋托盘去掉，也就相称于把模组件去掉，更极度一些，盒子也不要了，也便是 CTC（Cell to Chassis）技能了，也有的叫 CTV（Cell to Vehicle）。
4680 电池与 CTC 技能相结合，座椅直接装在电池上方
而 4680 电池天生就有这个潜质，首先 CTC 对电池的构造强度有一定的哀求，电池本身要承担不小的机器强度，比较于 18650 和 2170 电池，4680 单体电池更大构造强度更高，并且一样平常方壳电池是铝壳的，而 4680 外壳是不锈钢的，天生构造强度就有担保 。其余采取 CTC 技能基本意味着告别维修和改换了，如果发生激烈的碰撞或电池的同等性涌现问题，那么可能就只能换车了，而圆柱电池的同等性一贯是上风所在。末了相比拟方壳电池，圆柱电池的布局会更灵巧，能适应各种不同的底盘，再结合全极耳高能量密度高充放功率的上风，未来在 HEV 和 PHEV 领域的潜力也非常大。
除了全极耳电池、高镍 + 高硅以及 CTC 技能外，特斯拉 4680 电池还有其他一些技能的运用，比如在隔膜上涂抹 PVDF 防止硅负极膨胀，负极添加硅纳米管提升导电性，其余特斯拉第二代 4680 电池还可能用上干电极的工艺，总之这次特斯拉是要把牙膏挤爆了，就看对手们如何接招了。
4680 圆柱电池 VS CTP 方形电池，宁德时期危矣？
中国市场方形电池一枝独秀，外洋市场圆柱、方形、软包三足鼎立
数据显示 2019 以来，中国动力电池市场方形电池一贯霸占着 80% 旁边的份额，宁德时期霸占了个中的一半以上，4680 电池首先冲击的自然也是宁德时期。
这里先抛开国内紧张环绕奔驰等欧洲客户展开的软包电池，重点比拟下 CTP 方形电池和 4680 圆柱电池的利害势以及发展趋势。
4680 电池的排布形式
首先从构造上方形电池的成组效率是明显优于高于圆柱电池的，估量精良的 CTP 方形电池能达到 80%—90%，4680 + CTC 能达到 70% 以上，这点也不难明得，4680 电池虽然比之前大了不少，但跟大的方形电池比还是很小的，一辆 Model Y 上大约须要 960 颗 4680 电池，换成方壳可能只须要 6 到 10 块，数量越少，与化学物质无关的其他部件占比就越低。
大众的 CTP 三元方形电池包
不过由于方形电池单体电芯大，并且是面打仗，这样就给方形电池的散热和热失落控防护带了很大的难度，因此方形电池三元电池正极并不太适宜往超高镍的方向发展，同时上面说到方形电池的负极不适宜添加太多「硅」，因此方形电池的单体能量密度无法做得太高。
而圆柱电池由于单体电芯小，本身比较随意马虎散热，再加上全极耳的运用让热量集中不才面更随意马虎针对性散热，因此可以采取比较激进的高镍方案，再合营高硅负极，单体能量密度能达到 300 Wh/kg，未来如果采取超 90% 比例镍的正极，单体能量密度能达到 350—400 Wh/kg 。
这样下来，虽然方形电池的集成效率高，但 4680 圆柱电池的单体能量密度高，综合下来，二者的系统能量密度差不多。
而圆柱电池作为已经商业化超过 30 年的品种，工艺最为成熟，在生产效率、良品率、投资本钱等方面都有一定上风。比如良品率方面，松下的 2170 电池能达到 99% 以上，比较方形电池能达到 90% 就已经是非常精良的水平了。
其余在生产效率方面，同样采取卷绕工艺的话，圆柱电池同心圆卷绕的特性先天效率就赶过不少，比如按照亿纬锂能最新的产线，每分钟可以生产 200 颗 2170 电池，而类似产线的方形电池 200 Ah 以内的一样平常一分钟能生产 10—12 个、200 Ah 以上的大方形一分钟产量不敷 10 个。如果是一台搭载 80 度电的新车，圆柱电池的生产大约须要 20 分钟，而方形电池则须要 30 分钟。
如果 4680 电池大规模量产顺利，估量 2024 年后每 kWh 的 4680 电池本钱比三元方形电池便宜 50—100 元，一辆 100 度电池的电动汽车本钱能低出 5,000—10,000 元。
因此从三元电池体系（包含无钴电池、四元电池）的角度来看，如果 4680 电池的良品率能快速提升，将凭借一定的本钱上风，同时超高的充放电功率，在中高端市场将逐步对方形三元锂电池形成替代效应。
而在中低端市场仍以磷酸铁锂电池为主，而磷酸铁锂先天就比较稳定不随意马虎热失落控，因此就更适宜集成效率高但不随意马虎散热的方形电池。因此未来的局势很可能是一些高端车型开始逐步利用 4680 三元电池，中低端则以 CTP 方形磷酸铁锂电池为主。
比亚迪刀片电池，汉 EV 上的刀片电池还采取了叠片工艺
那么宁德时期就要面对 4680 电池和比亚迪刀片电池两面的夹击了，比亚迪本身便是以电池起身的，再加上多年来一贯专攻磷酸铁锂电池，随着弗迪电池的产能开始大幅扩展，这里可以参考文章《收下蔚来、小米，弗迪的进攻才刚开始》，势必要吃掉一部分宁德时期的份额。
宁德时期 CTP 3.0 麒麟电池，宣扬三元锂和磷酸铁锂的系统能量密度分别能达到 250 Wh/kg 和 160 Wh/kg，并能实现无热扩散的最高安全哀求
不过在刚刚过去的电动汽车百人会 2022 上，宁德时期也给出了反击——CTP 3.0 版本的麒麟电池，能不能守住目前绝对的龙头地位，详细就看 CTP 3.0 的落地效果与降本增效的速率了。
哪些车企、电池厂在跟进布局大圆柱电池？
目前从车企端来看，紧张推动者还是特斯拉，2022Q1 特斯拉已经开始试生产，年底前能交付部分 4680 的 Model Y 给消费者。真正的爆发期还是在 2023 年后，跳票已久的 Cybertruck 、Roadster 2 以及重卡 Semi 也将全部来到我们身边。宝马的 4695 电池给出的量产韶光则是 2024 年往后，或许会成为宝马未来的纯电平台「Neue Klasse」的主力电池。
美国造车新势力 Lucid 也采取 2170 圆柱电池
其余目前外洋已经有不少采取圆柱电池的厂商，比如美国的新势力 Lucid 和 Rivian 目前采取的是 2170 电池，未来过渡到 4680 电池也是非常自然的。
LG化学，在动力电池领域环球的份额仅次于宁德时期
而在电池厂商这端，外洋紧张是特斯拉和日韩的电池厂商，包括松下、LG 化学、三星 SDI，松下和 LG 化学操持 2023 年量产，三星 SDI 操持 2024 年量产，其余还有一家以色列公司 Storedot 同样操持 2024 年量产 4680 电池。
海内宁德时期目前方案了 12 GWh 的 4680 电池产能，研发节奏正在加快，估量 2024 年开始量产，客户可能是特斯拉和宝马；比克电池在 2021 年 3 月的深圳 CIBF 上展出过大圆柱产品，估量 2023 年量产；亿纬锂能估量 2024 年可实现 4680 电池的量产，方案产能 20 GWh，同时还有去欧洲匈牙利建厂的操持。
综合来看，比较于从 18650 到 2170 的升级，4680 电池这次是把牙膏挤爆了，基本确定了圆柱电池的发展方向，也有望引领圆柱电池的市场份额对方形电池实现快速追赶。不过 4680 电池仍旧面临诸多工艺难题，比如全极耳电池激光焊点至少是 2170 的五倍以上，对精度哀求非常高，同时全极耳涂布的弧形边缘对设备的精密度哀求也更高，未来对 4680 电池的发展重点关注特斯拉、松下、LG 化学等企业的良品率什么时候能稳定在 90% 以上。
